楊懂艷,沈秀娥,田志仁,夏 新,劉保獻(xiàn),劉兆瑩,吳 敏,夏 夜

1.北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,北京 100048

2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012

土地是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),土壤環(huán)境質(zhì)量關(guān)系著人民群眾的身體健康,關(guān)系著美麗中國(guó)建設(shè)。 《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》及《中華人民共和國(guó)土壤污染防治法》的發(fā)布,標(biāo)志著我國(guó)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)工作進(jìn)入了新的階段。 自然條件下,土壤的形成過(guò)程極為緩慢。 在人類(lèi)活動(dòng)的時(shí)間尺度上,可以說(shuō)土壤是不可再生的國(guó)家戰(zhàn)略資源。

土壤樣品庫(kù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤樣品的規(guī)范化保存,所存儲(chǔ)樣品能夠提供的環(huán)境質(zhì)量信息可揭示土壤環(huán)境的演變規(guī)律,為環(huán)境管理和決策提供依據(jù)。 傳統(tǒng)的土壤樣品存儲(chǔ)管理模式主要采用手寫(xiě)或機(jī)打標(biāo)簽的形式對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)識(shí)化管理,采用機(jī)械人工庫(kù)對(duì)樣品進(jìn)行存儲(chǔ),土壤樣品信息庫(kù)無(wú)法與土壤樣品的唯一性進(jìn)行有效銜接,存在土壤存儲(chǔ)工作量大、樣品查找困難、樣品信息難以有效獲取等缺點(diǎn),無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤樣品的信息化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化管理[1-3]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近些年新興的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可通過(guò)射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)、傳感器、二維碼、全球定位系統(tǒng)等各種裝置,按照約定協(xié)議將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)人與物體、物體與物體之間的通信與互動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)大量數(shù)據(jù)的收集,可為云計(jì)算和大數(shù)據(jù)提供足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 李克強(qiáng)總理也多次提出在“十三五”期間促進(jìn)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用。 近些年,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲得了飛速發(fā)展,在智能物流、智能醫(yī)療系統(tǒng)藥品管理、火電行業(yè)樣品智能化管理方面均得到了初步應(yīng)用[4-7]。 為滿足國(guó)家土壤樣品制備與流轉(zhuǎn)中心(華北分中心)(以下簡(jiǎn)稱華北分中心)及北京市土壤樣品庫(kù)的建設(shè)管理需求,探索土壤樣品庫(kù)建設(shè)管理新思路,本研究結(jié)合國(guó)家網(wǎng)土壤樣品制備與流轉(zhuǎn)需求,開(kāi)展了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的土壤智能樣品庫(kù)設(shè)計(jì)研究和實(shí)踐,以期為未來(lái)各級(jí)、各部門(mén)土壤等環(huán)境樣品庫(kù)的建設(shè)提供新的思路和參考。

1 國(guó)內(nèi)外環(huán)境樣品庫(kù)建設(shè)及管理現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家自20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始重視環(huán)境樣品庫(kù)(ESB)建設(shè)。 環(huán)境樣品庫(kù)的主要功能是為長(zhǎng)期、穩(wěn)定保存具有代表性的環(huán)境樣品提供必要條件,且對(duì)入庫(kù)樣品的齊全資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行信息存檔。 環(huán)境樣品庫(kù)中的樣品不僅能評(píng)價(jià)當(dāng)下的環(huán)境質(zhì)量狀況,研究各種污染物隨時(shí)間、空間的濃度變化規(guī)律和趨勢(shì),因分析技術(shù)的提高或新方法的開(kāi)發(fā),還可獲得歷史時(shí)期的環(huán)境信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史樣品的回顧性分析。 美國(guó)、瑞典、德國(guó)、日本、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家自20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始,逐步建立了一定規(guī)模的環(huán)境樣品庫(kù)[8-11]。 其中,相對(duì)比較成熟的是依托瑞典自然歷史博物館的瑞典環(huán)境樣品庫(kù),其項(xiàng)目類(lèi)型較多,將長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與特色研究項(xiàng)目相結(jié)合,積累了大量管理經(jīng)驗(yàn)。

我國(guó)的樣品庫(kù)建設(shè)起步相對(duì)較晚,且樣品庫(kù)的建設(shè)是以科學(xué)研究為主導(dǎo)。 例如,中國(guó)科學(xué)院1994 年建立的中國(guó)人群前瞻性生物樣本庫(kù)以收集人體生物樣品和相關(guān)臨床資料為主,上海市環(huán)境科學(xué)研究院和中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所1998 年建立的上海環(huán)境樣品庫(kù)則以收納上海市的底泥樣品和飄塵樣品為主,南開(kāi)大學(xué)2007 年建立的顆粒物樣品庫(kù)以收集環(huán)境顆粒物樣品和污染源樣品為主,2014 年建成的同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江環(huán)境樣品庫(kù)致力于對(duì)長(zhǎng)江流域的代表性環(huán)境樣品與人體樣品實(shí)施長(zhǎng)期保存。 除以上樣品庫(kù)外,中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站于2010 年建立了國(guó)家層面的土壤樣品庫(kù),目前主要收集了“七五”背景值調(diào)查、“十一五”全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查采集的土壤樣品。 同時(shí),中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所于2017 年建立了土壤樣品長(zhǎng)期保存系統(tǒng),共收集了7.8 萬(wàn)份土壤樣品,覆蓋全國(guó)絕大多數(shù)省份的典型土壤類(lèi)型,時(shí)間跨度達(dá)半個(gè)多世紀(jì)。 湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心于2017 年初步建成了省級(jí)土壤樣品庫(kù),共收集了約1 萬(wàn)份土壤和沉積物樣品,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤樣品的信息化管理[2]。 該樣品庫(kù)采用了RFID 技術(shù)和激光打印方式,并運(yùn)用信息化手段,可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤樣品和環(huán)境質(zhì)量信息的有效管理。 但其土壤密集柜仍是采用傳統(tǒng)的手工存儲(chǔ)方式,雖可實(shí)現(xiàn)大量土壤樣品的集中保存,卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)土壤樣品的自動(dòng)存儲(chǔ)和提取。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤庫(kù)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 土壤樣品庫(kù)的建設(shè)目標(biāo)

為滿足國(guó)家網(wǎng)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制的需要,實(shí)現(xiàn)土壤樣品的集中制備與流轉(zhuǎn),2017 年依托中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,6 個(gè)區(qū)域性國(guó)家土壤樣品制備與流轉(zhuǎn)中心相繼建設(shè)成立。 華北分中心可滿足周邊6 省區(qū)市土壤樣品制備、流轉(zhuǎn)、暫存和質(zhì)控的管理任務(wù)需求,同時(shí)實(shí)現(xiàn)北京市土壤樣品的長(zhǎng)期有效保存和流轉(zhuǎn)。 華北分中心所建土壤樣品庫(kù)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),結(jié)合信息化技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù),實(shí)現(xiàn)了土壤樣品接樣、風(fēng)干、制備、流轉(zhuǎn)、留樣、提取等全過(guò)程的智能化、可視化、可追溯的閉環(huán)管理。 同時(shí),通過(guò)對(duì)土壤樣品基本信息和存儲(chǔ)位置信息進(jìn)行智能化管理,可實(shí)現(xiàn)土壤樣品準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)、樣品位置智能查詢、樣品信息全面展示及樣品自動(dòng)提取等功能。 目前,該樣品庫(kù)已投入使用。

2.2 土壤樣品庫(kù)分區(qū)設(shè)計(jì)

根據(jù)土壤樣品庫(kù)的功能需求,土壤樣品庫(kù)在設(shè)計(jì)時(shí)主要包含以下區(qū)域:

1)樣品接收與晾曬區(qū)。 將采集到的土壤樣品進(jìn)行掃碼登記,并按內(nèi)部樣品管理系統(tǒng)的要求進(jìn)行信息登記。 對(duì)于新鮮土壤樣品,核實(shí)樣品信息后,直接存儲(chǔ)于4 ℃冰箱,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成處理和測(cè)試;對(duì)于需風(fēng)干和研磨制備的樣品,完成信息登記和管理后,放置到晾曬區(qū)(一般為陰涼干燥區(qū)域),避免陽(yáng)光直射,保持通風(fēng)干燥。

2)樣品制備區(qū)。 按照樣品制備技術(shù)要求,將風(fēng)干后的土壤樣品(一般在1.5 kg 左右)分別制備成測(cè)試樣品和入庫(kù)保存樣品,不同粒徑的土壤樣品按照功能要求進(jìn)行分類(lèi)、裝瓶,并進(jìn)行信息關(guān)聯(lián)。

3)樣品流轉(zhuǎn)與發(fā)放區(qū)。 將制備好的不同粒徑的土壤樣品裝入樣品瓶,通過(guò)智能工作站和氣動(dòng)傳輸管道分別輸送到智能土壤留樣庫(kù)和智能流轉(zhuǎn)庫(kù)。 其中,智能土壤留樣庫(kù)主要用于土壤樣品的長(zhǎng)期存儲(chǔ),智能流轉(zhuǎn)庫(kù)用于周邊6 省區(qū)市國(guó)家土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)樣品的流轉(zhuǎn)和暫存。 需要流轉(zhuǎn)的土壤樣品經(jīng)智能傳輸系統(tǒng)提取到批量存取工作站,經(jīng)授權(quán)批準(zhǔn)后自動(dòng)取出并進(jìn)行交接。

4)樣品長(zhǎng)期保存區(qū)域。 制備好的土壤樣品經(jīng)智能工作站批量暫存,并經(jīng)氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)輸送到智能土壤留樣庫(kù)。 對(duì)于歷史土壤樣品,將其重新裝入土壤樣品專(zhuān)用瓶,并通過(guò)手持終端或操作系統(tǒng)錄入樣品信息,批量放入存取工作站后,經(jīng)氣動(dòng)智能傳輸系統(tǒng)自動(dòng)輸送到智能土壤留樣庫(kù),進(jìn)行長(zhǎng)期留存。 對(duì)于特殊或需要復(fù)測(cè)的土壤樣品,在手持終端或操作系統(tǒng)輸入樣品信息,通過(guò)智能傳輸管道調(diào)取所需樣品。

2.3 土壤樣品庫(kù)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)踐

按照上述功能設(shè)計(jì),并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況,華北分中心建成了1 700 m2的土壤樣品庫(kù),平面布置及流程見(jiàn)圖1。 其系統(tǒng)構(gòu)建主要包括RFID 樣品瓶、智能存取裝置、智能傳輸系統(tǒng)和信息化管理系統(tǒng)4 個(gè)基本框架,目前已實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品接收、晾曬、研磨、存貯及提取等全過(guò)程的智能化管理。

圖1 土壤樣品庫(kù)平面布置和流程Fig.1 Layout and process of the soil sample bank

2.3.1 RFID 樣品瓶

裝載有RFID 芯片的樣品瓶是土壤樣品智能化管理的基礎(chǔ)。 RFID 是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),使用射頻電子設(shè)備發(fā)射射頻信號(hào),進(jìn)而通過(guò)空間耦合自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID 技術(shù)目前已在交通運(yùn)輸、物流管理、圖書(shū)館管理等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-7]。

將制備好的土壤樣品放入裝載有RFID 芯片的樣品瓶后,首先是在信息服務(wù)管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)樣品信息的關(guān)聯(lián)。 土壤樣品信息可包含采樣點(diǎn)位所屬行政區(qū)域、GPS 定位信息,以及土壤樣品制備時(shí)間、粒徑、不同污染物濃度等。 為便于樣品信息查詢,必要時(shí)可同時(shí)在樣品瓶上粘貼紙質(zhì)標(biāo)簽。RFID 芯片是土壤樣品的唯一標(biāo)識(shí),經(jīng)關(guān)聯(lián)后的土壤樣品通過(guò)讀卡器或智能傳感器進(jìn)入智能存取裝置后,根據(jù)系統(tǒng)指令經(jīng)氣動(dòng)智能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行流轉(zhuǎn)和發(fā)放,具體見(jiàn)圖2。 利用RFID 技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤樣品的信息化和自動(dòng)化管理,同時(shí)實(shí)現(xiàn)流轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)樣品信息的保密。 對(duì)于需要進(jìn)行測(cè)試的土壤樣品,可將樣品信息與樣品有效分離,從而杜絕對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的人為干擾。

圖2 土壤RFID 樣品瓶工作原理Fig.2 Process of RFID for soil samples

2.3.2 智能存取裝置

智能存取裝置是整個(gè)土壤庫(kù)的核心,包含智能存取工作站、智能流轉(zhuǎn)庫(kù)和智能留樣庫(kù)。 其中,智能留樣庫(kù)和智能流轉(zhuǎn)庫(kù)通過(guò)氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)與智能存取工作站相連,具有機(jī)械臂、收發(fā)裝置等部件,并與信息服務(wù)管理系統(tǒng)相連,通過(guò)識(shí)別RFID樣品瓶信息執(zhí)行調(diào)度任務(wù),實(shí)現(xiàn)土壤樣品的自動(dòng)輸送、自動(dòng)留存、自動(dòng)調(diào)取與流轉(zhuǎn)。

根據(jù)土壤樣品流轉(zhuǎn)時(shí)效,樣品庫(kù)分為智能流轉(zhuǎn)庫(kù)和智能留樣庫(kù),庫(kù)存容量可根據(jù)土壤庫(kù)實(shí)際長(zhǎng)度、寬度和高度進(jìn)行模塊化定制,有效降低了傳統(tǒng)土壤密集柜因土壤樣品疊加及手工存取而需較大空間的不足,大大提高土壤樣品庫(kù)的存儲(chǔ)量。其中,智能流轉(zhuǎn)庫(kù)主要用于華北分中心土壤樣品的快速存取與流轉(zhuǎn),總庫(kù)存容量為4 000 個(gè)土壤樣品,自動(dòng)存取速率可達(dá)每?jī)煞昼娨黄?可滿足每天300 個(gè)土壤樣品的快速流轉(zhuǎn)需求。 與傳統(tǒng)手工土壤樣品入庫(kù)相比,智能流轉(zhuǎn)庫(kù)存取速率可定制,通過(guò)系統(tǒng)指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接收、存取及流轉(zhuǎn),節(jié)省了大量人力物力。

智能土壤留樣庫(kù)的構(gòu)架與智能流轉(zhuǎn)庫(kù)基本相同,但因其主要用于土壤樣品的永久存儲(chǔ),自動(dòng)存取速率可適當(dāng)降低。 為滿足土壤樣品的分類(lèi)管理,智能土壤留樣庫(kù)可設(shè)置不同的功能區(qū)域,一般可根據(jù)土壤類(lèi)型、土壤元素濃度水平、采樣區(qū)域、存儲(chǔ)時(shí)間等進(jìn)行功能區(qū)劃分。 存儲(chǔ)樣品時(shí),在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)區(qū)域自動(dòng)分配,樣品經(jīng)系統(tǒng)指令傳輸?shù)街付▍^(qū)域,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)土壤樣品的分區(qū)管理,無(wú)須人工操作。 同時(shí),通過(guò)系統(tǒng)指令,可實(shí)現(xiàn)歷史土壤樣品的快速查找與提取。 目前,華北分中心智能留樣庫(kù)可實(shí)現(xiàn)100 m2內(nèi)約3 萬(wàn)個(gè)土壤樣品的集中存儲(chǔ),基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 智能流轉(zhuǎn)庫(kù)和智能留樣庫(kù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the intelligent soil sample bank

2.3.3 氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)

氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)通過(guò)配備動(dòng)力控制系統(tǒng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置、傳輸網(wǎng)絡(luò)管道,并結(jié)合智能存取工作站、智能留樣庫(kù)、智能流轉(zhuǎn)庫(kù)及配套的中央管理機(jī),實(shí)現(xiàn)土壤樣品的自動(dòng)傳輸。 其中,動(dòng)力控制系統(tǒng)為氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源,通過(guò)雙向吹吸風(fēng)為傳輸系統(tǒng)提供空氣動(dòng)力,并使用變頻調(diào)速技術(shù)以提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性;中央管理機(jī)為內(nèi)置工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī),支持對(duì)傳輸系統(tǒng)的管理,并根據(jù)系統(tǒng)指令將帶有RFID 信息的土壤樣品通過(guò)氣動(dòng)傳輸管道進(jìn)行自動(dòng)傳輸,實(shí)現(xiàn)樣品傳輸?shù)淖詣?dòng)化。 通過(guò)系統(tǒng)配置,樣品自動(dòng)傳輸既可實(shí)現(xiàn)一樓華北分中心暫存土壤樣品按倉(cāng)位自動(dòng)存儲(chǔ)和提取,還可實(shí)現(xiàn)二樓歷史土壤樣品按區(qū)域快速存儲(chǔ)與提取。

2.3.4 信息服務(wù)管理系統(tǒng)

信息服務(wù)管理系統(tǒng)主要包含智能密集存儲(chǔ)調(diào)度控制系統(tǒng)和氣動(dòng)傳輸調(diào)度控制系統(tǒng)兩部分。 其中,智能密集存儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)主要包含樣品瓶入庫(kù)信息管理、樣品瓶存儲(chǔ)管理、用戶權(quán)限管理、樣品傳輸及存儲(chǔ)狀態(tài)查詢、執(zhí)行指令及歷史記錄管理等。 智能密集存儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)土壤樣品的信息查詢、存儲(chǔ)位置查詢、樣品庫(kù)盤(pán)點(diǎn)、用戶管理、數(shù)據(jù)備份等功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的智能化管理。 氣動(dòng)傳輸調(diào)度控制系統(tǒng)通過(guò)軟件系統(tǒng)關(guān)聯(lián)和識(shí)別樣品信息,通過(guò)工作站執(zhí)行不同的調(diào)度指令,實(shí)現(xiàn)土壤樣品存儲(chǔ)、提取及流轉(zhuǎn)的自動(dòng)化,并結(jié)合信息化和監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的可視化管理。 同時(shí),通過(guò)開(kāi)放端口,可實(shí)現(xiàn)與土壤信息管理平臺(tái)及樣品采集平臺(tái)的有效銜接。

2.3.5 樣品安全與質(zhì)量管理

按照國(guó)家網(wǎng)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)管理要求,質(zhì)量管理要覆蓋人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)全要素,同時(shí)應(yīng)對(duì)布點(diǎn)、采樣、制樣和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等進(jìn)行全過(guò)程質(zhì)量控制,從而保證土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理體系的完整性和全面性[11-13]。 基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤樣品庫(kù)為土壤樣品提供了可靠的安全保障方案,保證了存儲(chǔ)條件、流轉(zhuǎn)過(guò)程及樣品信息管理的安全性和樣品的有效性。 同時(shí),通過(guò)電子標(biāo)簽與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)等系統(tǒng)功能設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的基礎(chǔ)管理;通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)土壤樣品風(fēng)干、制備及保存條件進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)范化控制,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制;而智能化的土壤樣品保存、提取及信息展示等功能,為土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)流程管理和數(shù)據(jù)溯源提供了保障,確保了土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)土壤樣品進(jìn)行標(biāo)識(shí)及信息化管理是實(shí)現(xiàn)土壤樣品有效管理的一種智能管理模式,可為土壤樣品大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 華北分中心及北京市土壤樣品庫(kù)采用的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能土壤樣品庫(kù)建設(shè)方案,可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤樣品的信息化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化管理,對(duì)于規(guī)范和指導(dǎo)土壤樣品庫(kù)建設(shè)、土壤樣品保存、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和應(yīng)用均具有重要意義,可為其他部門(mén)土壤樣品庫(kù)的建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室試劑和耗材及其他環(huán)境樣品的智能化管理提供借鑒。